El Turbocompresor: Funcionamiento, Tipos y Evolución en Motores

¿Qué es el Turbo y Cuál es su Origen?

El turbo es un sistema de sobrealimentación de los propulsores que se transfirió desde la industria aeronáutica al sector del automóvil en la década de los setenta.

La potencia que un motor es capaz de generar depende directamente de la cantidad de oxígeno que puede hacer reaccionar con el combustible. A mayor cantidad de aire, mayor fuerza se obtiene. Esto se puede lograr aumentando el volumen interno del motor (cilindrada) para que quepa más aire, o bien comprimiendo el aire antes de que entre en los cilindros.

En las mecánicas diésel, el uso del turbo es común desde hace muchas décadas. Sin embargo, en los motores de gasolina, su implementación no ha sido tan frecuente, reservándose históricamente para vehículos de altas prestaciones.

Tipos de Sistemas de Sobrealimentación

Existen diferentes métodos para introducir más aire en el motor:

• Compresor de Pistones

  Funciona de manera similar a un motor, pero sin quemar combustible; su única misión es bombear aire. Sus principales inconvenientes eran su peso elevado y el desgaste que sufrían.

• Compresor de Lóbulos (Tipo Eaton Roots)

  Consiste en dos engranajes con una forma especial que giran en sentidos opuestos dentro de una carcasa, atrapando y comprimiendo el aire entre ellos. Su principal ventaja es que funciona desde el ralentí, proporcionando presión de forma casi instantánea. Entre sus desventajas se encuentran su coste, peso y el ruido que generan.

• Compresor Volumétrico G (G-Lader)

  Utiliza dos elementos en forma de caracola (uno fijo y otro con movimiento orbital excéntrico) que giran dentro de una carcasa, comprimiendo el aire en cámaras que se reducen progresivamente. Al igual que el Roots, gira solidario al cigüeñal mediante una correa.

• Turbocompresor (Turbo)

  Tardó más en implantarse masivamente debido a la complejidad para controlar la presión de soplado de manera eficaz. Este problema se solucionó con la invención de sistemas como el APC (Automatic Performance Control), que adapta la presión del turbo a diversos parámetros, como la calidad de la gasolina o la presión atmosférica.

¿Cómo Funciona Exactamente un Turbo?

El turbocompresor es, en esencia, un compresor de aire accionado por una turbina movida por los gases de escape del propio motor.

Consta de dos rotores (o "molinillos") unidos por un mismo eje:

1. La Turbina: Está situada en el conducto de escape. Los gases de escape calientes y a presión, al salir del motor, impactan sobre los álabes de la turbina, haciéndola girar a muy altas revoluciones.
2. El Compresor: Se encuentra en el conducto de admisión de aire. Al girar solidario con la turbina (a través del eje común), sus álabes succionan aire del exterior, lo comprimen y lo introducen a presión en los cilindros del motor.

Al aumentar la presión del aire de admisión, se puede quemar más combustible y, por tanto, obtener más potencia. Sin embargo, este proceso también incrementa la energía (presión y velocidad) de los gases de escape, lo que haría girar la turbina cada vez más rápido, generando una presión de admisión excesiva.

Para evitar daños, se instalan sistemas de control:

• Válvula de Descarga (Wastegate): Generalmente ubicada en el colector de escape o en la carcasa de la turbina. Cuando la presión de admisión alcanza un límite predefinido, esta válvula se abre y desvía una parte de los gases de escape directamente al tubo de escape, sin pasar por la turbina. Esto limita la velocidad de la turbina y, por ende, la presión de sobrealimentación.
• Válvula de Alivio (Blow-off o Dump Valve): Montada en el conducto de admisión, entre el compresor y la mariposa de gases (en motores de gasolina). Cuando se cierra la mariposa de golpe (al levantar el pie del acelerador), la presión en el colector de admisión aumentaría bruscamente. Esta válvula se abre para liberar esa sobrepresión, ya sea a la atmósfera (generando el característico silbido) o recirculándola a la entrada del compresor.

Tipos de Turbocompresores

A lo largo del tiempo, han existido diferentes configuraciones y tecnologías:

Configuraciones Históricas (Carburación):

• Turbos Aspirados: El turbocompresor estaba montado después del carburador. Comprimía la mezcla de aire y combustible ya realizada. Eran más complejos de poner a punto.
• Turbos Soplados: El turbocompresor se montaba antes del carburador. Comprimía únicamente el aire, y la mezcla con el combustible se realizaba después, en el carburador presurizado. Es la configuración más habitual previa a la inyección electrónica.

Tecnologías Actuales:

• Turbos de Geometría Fija (TGV)

  Son los más sencillos y robustos. Su diseño implica un compromiso: si se elige un turbo con una turbina grande (A/R alto), será eficiente a altas revoluciones pero tendrá poca respuesta a bajas vueltas (turbo lag), ya que necesita un gran caudal de gases de escape para empezar a girar con fuerza. Por el contrario, si se opta por un turbo pequeño (A/R bajo), generará presión rápidamente desde bajas revoluciones, pero se "ahogará" y limitará la potencia a altas vueltas.

• Turbos de Geometría Variable (TGV / VNT / VGT)

  Intentan combinar las ventajas de los turbos pequeños y grandes. Incorporan unos álabes móviles en la carcasa de la turbina (en el lado de los gases de escape). Estos álabes pueden variar su ángulo de incidencia:

  • A bajas revoluciones, los álabes se cierran parcialmente, reduciendo la sección de paso. Esto acelera los gases de escape, haciendo que incidan con más fuerza sobre la turbina, comportándose como un turbo pequeño (respuesta rápida).
  • A altas revoluciones, los álabes se abren, aumentando la sección de paso. Esto permite evacuar un mayor caudal de gases sin frenarlos, comportándose como un turbo grande (mayor flujo y potencia máxima).

  La posición de estos álabes se controla mediante actuadores, que pueden ser neumáticos (controlados por vacío o presión) o eléctricos (más precisos y rápidos).